趙伶俐

摘 ?要 針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐教學(xué)形式較為單一的現(xiàn)狀，應(yīng)用新工科建設(shè)理念，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)踐課進(jìn)行教學(xué)改革，由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、建模仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與電子設(shè)計(jì)制作三個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。該教學(xué)方法在北方民族大學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)中實(shí)施了三年，取得良好的教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生解決問(wèn)題能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 新工科;信號(hào)與系統(tǒng);實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革;MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）18-0119-03

Research on Practice Teaching Reform of Signal and System Course under Background of New Engineering//ZHAO Lingli

Abstract In view of the current situation that the signal and system

course is highly theoretical and the practice teaching form is rela-

tively single， the teaching reform of the signal and system practice course is carried out by applying the concept of new subject construc-

tion. Practical teaching is carried out by combining three links： veri-fication experiment， modeling simulation design experiment and electronic design and manufacture. This teaching method has been implemented for three years in the relevant majors of our university， and has achieved good teaching results， stimulated students interest in learning， and enhanced students ability to solve problems and practice.

Key words new engineering; signal and system; practical teaching; teaching reform; MATLAB

1 前言

新工科建設(shè)是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)，由教育部提出的我國(guó)工程教育改革的新理念，發(fā)展人才培養(yǎng)的新模式。未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1-2]。實(shí)踐教學(xué)是夯實(shí)理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)工程素養(yǎng)的主要手段，所以在平時(shí)的實(shí)踐教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、多學(xué)科融合學(xué)習(xí)能力。

信號(hào)與系統(tǒng)課程是大學(xué)本科電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到承上啟下的作用。信號(hào)與系統(tǒng)是理論性很強(qiáng)的課程，在理論課學(xué)習(xí)中，系統(tǒng)時(shí)域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換等數(shù)學(xué)概念及公式繁多，容易使學(xué)生感到枯燥單一，缺乏學(xué)習(xí)積極性。因此，在信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)中需要應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，強(qiáng)化學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的新工科人才。

2 信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)目前多為兩種形式。

一種是采用信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。它是利用實(shí)驗(yàn)電路板、信號(hào)發(fā)生器、示波器等器件測(cè)試、觀察、分析信號(hào)的波形，如可以完成常用信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)試、信號(hào)的取樣與恢復(fù)等實(shí)驗(yàn)。利用信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以在電路板上搭建簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)電路，測(cè)量輸入輸出信號(hào)，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。但應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，只能完成部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路板等硬件器材覆蓋知識(shí)點(diǎn)有限，設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)會(huì)受到限制，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，電路板耗損嚴(yán)重，更新?lián)Q代慢。

另一種形式是引入仿真實(shí)驗(yàn)軟件。目前，國(guó)內(nèi)外很多高校把MATLAB軟件和信號(hào)與系統(tǒng)課程結(jié)合起來(lái)，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力和信號(hào)處理工具箱完成時(shí)域、頻域、復(fù)頻域等各種變換及系統(tǒng)分析，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)效果。但是應(yīng)用MATLAB軟件仿真，學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)及動(dòng)手能力不夠。

鑒于信號(hào)與系統(tǒng)課程的特點(diǎn)以及所面臨的實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，北方民族大學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)課程教研組對(duì)該課程特點(diǎn)和實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行探索研究，應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方法。

3 實(shí)踐教學(xué)改革方法

新的信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)方法，由原來(lái)單一的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱做實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改為軟件仿真和電子設(shè)計(jì)制作相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，實(shí)踐可分三個(gè)環(huán)節(jié)：1）實(shí)驗(yàn)課前教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，應(yīng)用MATLAB軟件和學(xué)校自己開(kāi)發(fā)的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);2）實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行建模仿真編程，完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);

3）實(shí)驗(yàn)課后自主實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) ?自己開(kāi)發(fā)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)，此系統(tǒng)安裝在實(shí)驗(yàn)室中，也可安裝在學(xué)生電腦中，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)課前應(yīng)用此系統(tǒng)和MATLAB軟件預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。課前預(yù)習(xí)和完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論內(nèi)容有感性的認(rèn)識(shí)和理解。比如信號(hào)的合成實(shí)驗(yàn)，以方波為例，圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真了方波的組成情況，當(dāng)它包含的諧波分量愈多時(shí)，波形越接近于原來(lái)的方波信號(hào)。通過(guò)圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以幫助學(xué)生理解吉布斯現(xiàn)象，即合成方波包含的諧波分量越多時(shí)，除間斷點(diǎn)附近外，它越接近于原方波信號(hào)。在間斷點(diǎn)附近，隨著所含諧波次數(shù)的增高，合成波形的尖峰越靠近間斷點(diǎn)，但尖峰幅度并未明顯減小[3]，在間斷點(diǎn)處有大約9%的偏差。

圖2是連續(xù)系統(tǒng)的復(fù)頻域分析實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解復(fù)頻域系統(tǒng)函數(shù)H（S）意義。系統(tǒng)函數(shù)只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)有關(guān)，與描述系統(tǒng)微分方程的系數(shù)有關(guān)，而與外界因素（激勵(lì)、初始狀態(tài)等）無(wú)關(guān)。在系統(tǒng)分析時(shí)，可以畫(huà)出零極點(diǎn)分布圖，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性;也可以畫(huà)出系統(tǒng)的幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論的感性認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)效率。

建模仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) ?通過(guò)課前預(yù)習(xí)和完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一些感性認(rèn)識(shí)。然后在實(shí)驗(yàn)課中讓學(xué)生應(yīng)用MATLAB編寫(xiě)程序，應(yīng)用Simulink建模仿真，完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高編程建模仿真能力。如在理論課教學(xué)中講解連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析，求解零狀態(tài)響應(yīng)、沖激響應(yīng)以及階躍響應(yīng)時(shí)，通過(guò)微分方程經(jīng)典解求解響應(yīng)問(wèn)題，內(nèi)容抽象且數(shù)學(xué)公式繁多，這是課程中的一個(gè)難點(diǎn)。而用建模仿真編程方法可以讓求解變得簡(jiǎn)單。

如某系統(tǒng)為y″（t）+2y′（t）+100y（t）=10f（t），求系統(tǒng)的沖激響應(yīng)、階躍響應(yīng)并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生應(yīng)用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，圖3所示為系統(tǒng)的模型。通過(guò)建模仿真，物理概念明確又便于理解，而且學(xué)生可以體會(huì)從建立數(shù)學(xué)模型、如何選擇參數(shù)再到系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)全過(guò)程，這個(gè)過(guò)程鍛煉了學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力[4]。

同一個(gè)問(wèn)題可以用不同的方法去完成，求解系統(tǒng)的響應(yīng)還可以在MATLAB中編程實(shí)現(xiàn)，圖4是通過(guò)編程仿真得到系統(tǒng)沖激響應(yīng)的波形。在這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，通過(guò)建模仿真編程的方法完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生解決問(wèn)題和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力。

電子設(shè)計(jì)制作 ?對(duì)于工科學(xué)生，要培養(yǎng)他們的工程素養(yǎng)，能進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)與制作。在課后讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐環(huán)節(jié)，由教師給出電子設(shè)計(jì)任務(wù)，給出需要設(shè)計(jì)的電子制作的性能要求，讓學(xué)生設(shè)計(jì)繪制電路圖并進(jìn)行電子制作。比如在理論課程中講到激勵(lì)通過(guò)系統(tǒng)求解響應(yīng)的問(wèn)題，課后可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)電路系統(tǒng)，然后進(jìn)行輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的測(cè)試并進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)中首先指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行元器件的選擇，電氣元器件、分立元件、集成電路等元器件的選擇及參數(shù)測(cè)試，讓學(xué)生體會(huì)不同元器件選擇、不同的參數(shù)對(duì)電路產(chǎn)生的影響;其次讓學(xué)生設(shè)計(jì)電路，運(yùn)用電路仿真軟件繪制電路圖，制板、焊接調(diào)試，測(cè)試數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)。從給出設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)始，查找資料、設(shè)計(jì)方案、元器件選擇、參數(shù)計(jì)算、電路圖繪制仿真調(diào)試、焊接調(diào)試，到電子作品制作完成并能夠很好地運(yùn)行，學(xué)生會(huì)獲得成就感和自信心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，真正提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

另外，鼓勵(lì)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽。學(xué)校每年組織電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，通過(guò)參加比賽，給學(xué)生鍛煉和展示自己的平臺(tái)，將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

近幾年，學(xué)校在全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽中取得可喜的成績(jī)。通過(guò)電路設(shè)計(jì)和制作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生很好地理解如信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路等相關(guān)課程所涉及的基本內(nèi)容、基本概念、基本電路結(jié)構(gòu)與原理、基本分析方法，提高多學(xué)科融合學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力，使學(xué)生逐步建立起科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟仞B(yǎng)，樹(shù)立嚴(yán)格要求自己的學(xué)習(xí)態(tài)度。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，由原來(lái)單一的實(shí)驗(yàn)課改為三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)課前引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)并完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行建模仿真編程并完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)課后進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作。這種實(shí)踐教學(xué)改革方法已在北方民族大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)中實(shí)施兩屆，取得良好的教學(xué)效果，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的信號(hào)與系統(tǒng)理論課成績(jī)，而且增強(qiáng)了學(xué)生解決問(wèn)題的能力和動(dòng)手實(shí)踐的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

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